שרשרת אותות: מ- Neuron to Getr

ממשקי מחשב אלחוטיים (BCIs) תלויים בשרשרת שברירית שהופכת פעילות עצבית קלה לזרם של נתונים דיגיטליים.איכות שרשרת זו קובעת האם BCI יכול לשחזר באופן אמין את התנועה לגפיים משותק, להעביר מחשבה כטקסט, או לשלוט באסתטיקה עם שטף טבעי.לפני שניתן להעביר את האות העצבי, יש לכופף עם מספיק נאמנות, מצב כדי לדחות את הרעש, ולנטוש אותו.

אותות גולמיים - פוטנציאל שדה נמוך (LFPs), פוטנציאל פעולה (spikes), או אלקטרוקוגרם (ECoG) - תמיד ב amplitude, רוחב פס, ו צפיפות מידע. LFPs בדרך כלל נע בין 10 עד 100 מיקרו-V עם אותות עד 300 הרץ, בעוד ספייקטור תופס ספקטרום רחב יותר ודורש sampling מעל 20 kG, אותות מטווח נמוך יותר מאשר קדמית.

לאחר דיגיטציה, זרם הנתונים חייב להיות ארוז ונשלח על פני קישור אלחוטי שפועל בתוך תקציבי חשמל קפדניים ומגבלות בטיחות.גוף האדם מזרז אותות רדיו- ⁇ באופן משמעותי, ואנטנות מושתלות מוגבלות לגורמים קטנים. שידור אמין בשיעורי הנתונים הדרושים - לעתים קרובות מעל 10 Mbps עבור מערךים בעלי רגישות גבוהה - נותר אחד האתגרים ההנדסיים הקשים ביותר בתחום.

מקורות של אי-אווירה במסלול האלחוטי

רובוסטנס אינו רכוש יחיד אלא מערכת של הגנה מפני מנגנוני פגיעה מרובים.הבנת המנגנונים הללו היא תנאי מוקדם לתכנון אמצעי נגד יעילים.

אלקטרומגנטי אינטרפיון ו- Multipath Fading

הסביבה ליד משתמש BCI עשיר רעש אלקטרומגנטי מ נתבי Wi-Fi, תחנות בסיס סלולריות, ציוד רפואי ואפילו עיבוד חשמלי בקירות.רעש זה יכול להתחבר לאנטנה המקלט ולהשחית את האות המחוספס. Multipath fading - הנגרמת על ידי השתקפות של קירות, רהיטים, ואת הגוף של המשתמש עצמו - יוצר עמוק אפסים בחוזק.

In-Band Interference from Other Implants

כמו שתלים רפואיים אלחוטיים מתרבים, הסיכון של התערבות משותפת גדל.השירות התקשורת של Implant (MICS) (MICS) (MICS) (02-405 MHz) תוכנן במיוחד עבור תקשורת בין גוף-לגוף-גוף-עצמי, אך הוא משותף בין מכשירים רבים.Newer סטנדרטים כגון רשת הגוף הרפואי (MBA) ב 236-2.4 GHz מציעים רוחב פס גבוה יותר, אך גם פנים מול פני קהל בין-זמני יכול להתאים את התדירות גבוהה יותר (Dvision) באמצעות שיטות הפעלה מרובות).

אמנות התנועה ו-Physiological Noise

משתמש BCI הליכה, לסובב את הראש, או אפילו נשימה מציגה תנועה שיכולה לשנות את השתל יחסית למקלט, לשנות את הדחף של ממשק ה- אלקטרודה-tissue, ולעצב את הערוץ האלחוטי. Motion פריטים מופיעים כמו סחף נמוך אדסנסציה בסימן העצבי, בעוד תנועות מהירות יכולות לגרום לירידה בלינק הסינון התקני - במיוחד קלמן ומדורגות פחות מעדכונים בזמן אמתי (מסוגנן) ועדכונים הקשורים לרעש (מסוגנן) ועדכונים).

תקציב סמכויות

התחזוקה הבסיסית ביותר על אינטנסיביות היא האנרגיה הזמינה. Anplantable BCI חייב לפעול במשך שנים על סוללה שניתן לטעון אותה רק באופן בלתי צפוי, או אחרת להסתמך על העברת כוח אלחוטית. High-Fidelity neural Recording ו- high-data-rate שידור הם חד-משמעי כוח-hungry כל מילימטר שניצל על ידי דחיסה של נתונים, הורדת תדירות המוביל, או באמצעות תוכנית פשוטה יותר של שינוי (אך גם כן, אך ורקמות) של יעילות (קצב כוח).

תיקון שגיאות ותיקון ערוץ הניאל

תיקון שגיאות קדימה (FEC) הוא עמוד השדרה של שידור אלחוטי חזק.על ידי הוספת ונדנציה מובנה לנתונים, ה-FEC מאפשר למקלט לזהות ולתקן שגיאות מבלי לדרוש דחייה - יתרון קריטי כאשר לבה עגול לא ניתן לסבול.

קודים של ריד-סמית ו-LDPC

קודים של ריד-Solomon (RS) הם קודים חסומים שעובדים טוב לתיקון שגיאות פורצות, אשר נפוצים בערוצים מתפתלים.הם כבר בשימוש בסטנדרטים אלחוטיים רבים, ויכולים להיות מיושמים בחומרה עם שקיפות נמוכה. קודים נמוכים (LDPC) מציעים ביצועים קרובים מאוד למגבלת שאנון, מה שהופך אותם אטרקטיביים עבור גבוה לפני הספירה, כאשר כל פחת של אותות של אותות של אותות הגנה על ידי קוד-תועלת גבוהה יותר (LD) עשוי לדחוף את רמת חישוב גבוהה יותר, עם משקל גבוה יותר, עם משקל (R) יכול לדרוש משאבים מתקדמים, עם יותר, עם משקל יעיל יותר, עם יותר, עם זאת, עם יותר, עם יותר, עם יותר, עם יותר, עם זאת, עם משקל של משאבים חישוב 1 ו-תועלת גבוהה יותר, עם משקל גבוה יותר, עם משקל גבוה יותר, עם זאת, עם משקל של משאבים חישובית (R.

קודים וקידודים חסרי תקדים

קודים הקוטביים, משפחת הקוד המוכחת הראשונה, אומצו ב-5G רדיו חדש ונחקרו עבור טלמטים ביו-רפואיים.הבנייה השיטתית שלהם מאפשרת רצפות נמוכות מאוד, אשר קריטי עבור יישומים קליניים. קודים (או מזרקת) כגון Luby Transform (LT) קודים מבטיחים נוספים: הם בלתי ניתנים להתאמה אישית ועלולים להסתגל לתנאים ללא צורך משובים, כאשר קודים מספיק קודים לא מקודדים.

מקור משותף - Channel Coding

במקום לדחוס את האות העצבי בנפרד ולאחר מכן הוספת תיקון שגיאה, שיתוף פעולה משותף של מקור (JSCC) משלב את שני השלבים. JSCC יכול לנצל את הריצוף המוטבע בהקלטות עצביות - דגימות מזדמנות מתואמות מאוד - כדי להגן מפני שגיאות שידור ביעילות רבה יותר.מודלים למידה עמוקה, במיוחד נוגדנים אוטומטי ורשתות עצביות, הראו ביצועים חזקים בייצוגים למידה קומפקטיים כי הם גם reilreative ניטור של אבטחה, אבל זה יכול להפחית באופן דרמטי של אבטחה רשת לחימה, אבל זהה של אבטחה לא יעילה יותר, אבל זהה של אבטחה לחץ דם רוחני לא יעיל יותר, אבל זהה של אבטחה גבוהה יותר, אבל זהה של אבטחה רשת לא יעיל יותר, אבל זהה של אבטחה גבוהה יותר, אבל זה יכול להפחית את הפחתת יעילות גבוהה יותר, אבל רשתות עצבית אבטחה לחץ דם שלילי יותר, אבל רשתות עצבית של אבטחה לחץ דם שלילי, אבל רשתות עצבית של אבטחה גבוהה יותר, אבל זהה של אבטחה גבוהה יותר, אבל זה יכול להפחית את הפחתת כוח שלילי של אבטחה בלחץ באופן דרמטי של אבטחה רשת סחר שלילי של אבטחה רשת סחר שלילי, אבל זה יכול להפחית את הפחתת כוח שלילי של אבטחה רשת לחימה קשה עבור אבטחה גבוהה יותר, אבל זה יכול להפחית את הפחתת כוח שלילי של אבטחה

המונחים: pinive and Signal Conditioning

גם עם תיקון שגיאות מושלם, BCI חייב להסיר זיהום שנכנס לפני המרה האנלוגית-לדיגיטלית.פילטרים הסתגלות מתאמתים כל הזמן את האפקטיביות שלהם כדי לעקוב אחר מקורות רעש לא רצויים.

פילטרים ל-Nural Tracking

Kalman מסנן מודל האות העצבי והרעש כמערכת דינמית ליניארית.הם יעילים במיוחד להסרת סחף נמוך (למשל, שינויים אלקטרוכימיים בחוד אלקטרודה) ויכולים למזג מידע מערוצים מרובים.ב-BCI אלחוטי, מסנן קלמן יכול גם לשלב את מדד הכוח המתקבל (RSSI) כתצפית, המאפשרת לו להתאים את הפחתת או לבקש הפוגה כאשר רק מסננים של אכזבות קודמות.

ביטול פשרות עם התייחסות

שתלים אלחוטיים רבים כוללים אלקטרודות עזר כי להקליט רק רעש - לדוגמה, טבעת קרקע ממוקם מחוץ לאזור ההקלטה. על ידי האכלה הפניה זו מסנן אדפטי (למשל, ריבועים לפחות נורמלים (NLMS) אלגוריתם), BCI יכול subtract משותף-mo-de התערבות כגון 50 / 60 הרץ קו כוח לחי וחפצים אלקטרומגנטיים.האתגר הוא להבטיח כי זה לא יהיה לבטל את הסימון עצמו שימוש עצמאי (ACT).

Multi-Channel, MIMO וטכניקות גיוון

ניתן להגדיל את המהימנות על ידי שליחת מידע זהה או קשור על נתיבים מרחביים מרובים. במערכות BCI עם ערוצי אלקטרודה מרובים, ניתן לנצל את המגוון בשני ההקלטה ואת שלבי השידור.

זמן חלל ל- Implant Arrays

שתל BCI עם אנאנטנות מרובות - או אנטנה אחת ואתרי אלקטרודה מרובים המשמשים כמטוסים קרקעיים - יכול ליישם קודים בלוק זמן חלל (STBCs) להפיץ סמלים על פני אנטנה וחניכים זמן, שיפור ה- SNR האפקטיבי על ידי שילוב האותות שהתקבלו ב המקלט החיצוני. בעוד שהמגבלות של אנטנה מגבילה מעשית חסומה פחות מגל (למשל, 7 ס"מ"מ"מ) עדיין יכול לספק אנטנות חשמליות בשימוש לאחרונה.

Reoperative Relay Schemes

ללבוש חיצוני - כגון פס ראש או צווארון צוואר - יכול לשמש כממסר בין השתל לבין תחנת בסיס מרחוק.המסר מפענח את האות החלש מהשתל ומעביר אותו בעוצמה גבוהה יותר. גישה זו שתי הופ משפרת את הכיסוי ומפחיתה את ההשתלות הנדרש משדר כוח.

למידה של דינמיקה

העברת אות נילי אינה בעיה סטטית.הערוץ משתנה, הפעילות של המשתמש משתנה, ואת תוכן המידע של האות העצבי עצמו משתנה.מודלים של למידת מכונה יכולים ללמוד דינמיות אלה ולהתאים את הפרמטרים לשידור בזמן אמת.

Reinforcement Learning for Rate

סוכן למידה חיזוק (RL) יכול לצפות במדדים כגון שער אובדן החבילה, מתח סוללה, ו-SNR, ולאחר מכן לבחור מצב שידור (למשל, BPSK לעומת 16-QAM, שיעור הקידוד, לשדר כוח) את מאזן הפונקציה הגמול באמצעות ספוט, צניעות ואנרגיה.בסימולציה, סימולציות אדפטימיות מבוססות RL הכפילו את האפקטיבי באמצעות קידוד קבוע בערוצים מקוונים, ואז ניתן להשתמש ב- לפני הספירה.

טרנד מבוסס Autoencoder

נוגדנים עמוק יכולים ללמוד ייצוג מאוחר דחוס של אותות עצביים המשמר מידע רלוונטי לדהוק. כי החלל המאוחר הוא מתמשך וניתן להבחין בו, ניתן להתאים את יחס הדחיסה על ידי שינוי ממד צוואר הבקבוק.זה מאפשר ל-BCI לסחור בקצב הקטן נגד שיקום איכות דינמי. כאשר הערוץ הוא טוב, המערכת יכולה לשלוח ייצוג גבוה יותר; כאשר העיוותים, יכול להמשיך את ה-reshdelity, אבל כדי להמשיך לפעול באופן נמוך יותר.

ניהול חשמל ומאמץ

שידור Robust חייב להיות נשמר גם כאשר הסוללה מרוקן. Power Management מעגלים אשר לקצור אנרגיה מחום הגוף, תנועה, או אותות RF ממתחילים יכולים להאריך את החיים ולאפשר אסטרטגיות שידור אגרסיביות יותר כאשר אנרגיה היא בשפע.

כוח גדול-העוצמה של Quasi-Resonant Power Amplifiers

המגבר הכוח (PA) במדרשת השתל שולט בתקציב האנרגיה. Class-D ו- Class-E PAs מציעים יעילות גבוהה (>80%) אך דורש תנופה זהירה מתאימה לשמירה על יעילות על רוחב הפס של אות BCI. אימפולס הסתגלות באמצעות בנק capacitor הנשלט על ידי דיגיטלית יכול לשמור על התאמה כמעט-אופטימית כמו סביבת האנטנה (למשל, שינויים של המשתמש).

העברה מהירה וחובה אופניים

רבים לפני הספירה משתמשים בישבן חיצוני כי שניהם מקבלים נתונים עצביים ומספקים כוח להשתלת באמצעות הפיכה אינדוקטיבית.מחזור החובה של השידור יכול להיות מותאם: השתל מאחסן אנרגיה במהלך תקופות כוח גבוה ולאחר מכן שולח נתונים בהתפרצויות קצרות.זה שידור פיזור פשטות מפשטות שליטה כי ההתפרצות יכולה להיות מקובעת מראש ומועברת בקצב גבוה בעוד הערוץ עדיין חיובי.

שיקולים רגולטוריים ובטיחות

רובוסטנס הוא לא רק מטרה הנדסית, אלא דרישה רגולטורית.מכשירים רפואיים בלתי ניתנים להשתלות חייבים לעמוד במגבלות פליטה ספציפיות והנחיות בטיחות, כגון תקן IEEE 802.15.6 עבור רשתות אזוריות והנחיות ICNIRP להפחתה מסוימת (SAR) הכוח של השתל הוא בדרך כלל מצופה ב-25 מיקרו-W EIRP ב-MICS עובד בתוך גבול זה, חייב עדיין להשיג מקסימום של 1% של פתרונות אלה עם פרוטוקולים חיוניים פחות מ-1%.

אבטחה היא גם ממד של עוצמה. ABCI שניתן לגרוף או להתפשר על הבטיחות של המשתמש. הצפנה ואימות (למשל, AES-128 עם תעודות לא מחייבות) להוסיף מעל ראש אך הם אינם ניתנים להשגה עבור פריסה קלינית.

המונחים: seamless Neural Connectivity

מטרת העברת אות עצבית חזקה היא להפוך את הקישור האלחוטי שקוף למשתמש.Achieving זה דורש גישה ברמת מערכות המשלבת התקדמות באלקטרוניקה בעוצמה נמוכה, עיבוד אותות, תורת מידע, ולמידה מכונה מוטבעת.כפי שתעשיית BCI נעה לעבר שתלים בעלי רמות גבוהות של חשבונות ערוצים (אלפי אלקטרודות), שיעורי הנתונים ידחפו למאות מ"מסולפים"ל, ככל שתעשיית ה-BCI נעה לעבר התמוטטות מידע נוקשה ומוסכפולקסומה על מנת לכדי התמוטטות חשמל.

מקורות חיצוניים לקריאה עמוקה יותר כוללים את הסקירה של רשתות אזורי גוף אלחוטיות עבור יישומים רפואיים ,FLT:2 Nature Bioרפואי על גבי הנדסת חשמל גבוהה אלחוטית BCIsFLT 3: ונקודת המבט של FLT:4Neuron על אותות עיבוד של אתגרים במכשור מושתל:5 LT:5

על ידי שילוב האסטרטגיות המפורטות כאן - חוקרים מתואמים, סינון הסתגלות, מגוון רב ערוצים, אופטימיזציה למידת מכונה וניהול כוח זהיר - חוקרים הם בהתמדה לסגור את הפער בין היכולת התיאורטית של הערוץ העצבי לבין האמינות המעשית כי הביקוש קליני וצרכן BCIs. התוצאה תהיה מערכות שמשתמשים יכולים לסמוך על כך שהם יכולים לספק את המחשבות וההפרעות שלהם ללא, אפילו בסביבות תובעניות ביותר.